论文导读:：使柴油机性能变坏。射线相衬成像技术测量喷油嘴几何特征尺寸的研究。
论文关键词：X射线，相衬成像，喷油嘴，几何特征，柴油机
引言
燃油的喷射、雾化和蒸发及其与空气的混合，是影响柴油机燃烧和排放性能的关键因素。良好的雾化对实现柴油的高效低污染燃烧具有重要的意义。人们已经知道，喷孔内部结构影响燃油在喷孔出口处的速度、动量在截面的分布，从而影响到喷雾的宏观特性和微观特性，如：贯穿度、喷雾锥角，液滴分布、喷雾径向和轴向浓度分布以及动量分布等等，最终影响燃烧过程[1~10]。
沃尔沃动力总成公司的研究人员更是在五个不同喷孔形状的喷嘴上，研究了喷孔几何特征尺寸对燃油消耗，NOx，碳烟排放等柴油机经济性和排放性指标的影响[12]。这五个喷油嘴分别为两个锥形喷孔（渐缩型和渐扩型，即正锥和负锥），直径大小不同的两个圆柱喷孔，还有一个经液力研磨HG50%的圆柱形喷孔（入口圆弧更大，粗糙度更小），如图1所示。除小圆柱喷孔的直径为0.21mm外，其余喷孔的孔径最小处都为0.23mm，其中正锥（渐缩）喷孔的锥度为k= +2.4，负锥喷孔锥度k则为-2.2。
图1 喷孔形状
研究表明，同一工况下（25%负载，1700r/min），负锥喷孔（Divergent）的燃油消耗量要小于其他四种喷嘴；此外，在同等条件下它的NOx排放量也是五种喷嘴中最少的。碳烟的排放方面，正锥喷孔（convergent）的碳烟排放最大，而小直径圆柱喷孔则有着最佳的碳烟排放，远小于其他的四个喷孔。
文献[13,14]研究无压力室式喷油嘴经液力研磨HG（Hydro Grinding）后喷孔的入口圆弧和内壁粗糙度对柴油机性能的影响。研究结果表明[13]，随着液力研磨HG程度增强，入口圆弧半径增大，内壁粗糙度减小，从而使喷孔内流动特性更均匀一致，喷孔出口处的流速增大，在单缸试验机上的研究结果表明，HG20%喷油嘴喷射平均速度较HG10%的相应值高50%。
随着喷油嘴液力研磨程度的增大，碳烟排放降低，低速工况时，在柴油机的整个负荷工况范围内，HG20%的喷油嘴有较好的烟度指标，仅在高负荷时较差，此时HG15%喷油嘴较好；高速工况时机电一体化论文，HG20%喷油嘴在整个负荷范围内具有较好的烟度指标，与其他喷油嘴比，优势在最高负荷时达到最大，如图2[13]所示。但另一方面，经液力研磨的喷嘴在降低碳烟排放的同时，NOx的排放则有所上升，高速工况时尤为明显，如图3[13]所示。
 
图2 不同负荷工况下的碳烟排放
(BSU:波许烟度，单位为Rb)
 
图3 不同负荷工况下的NOx排放
(ppm:百万分比浓度，即1ppm=0.001‰)
由于传统测试技术的限制，上述研究所用的喷孔几何特征尺寸皆为设计尺寸，研究既没有测量喷孔的实际尺寸，也没有考虑加工误差。近年来，随着相关测试技术的不断提高，对喷孔几何特征尺寸测量的各项研究也逐渐发展起来。精确测量喷孔几何特征尺寸，在此基础上进行实验，对于进一步验证并量化喷孔几何特征尺寸对柴油喷雾雾束和柴油机机性能的影响具有重要的意义。
1 喷孔几何特征尺寸测量方法的发展
1.1 制模法测喷孔几何特征尺寸
文献[15~19]在测量实际喷孔几何特征尺寸的基础上，深入研究了喷孔几何特征尺寸对柴油机性能的影响。测量喷孔几何特征尺寸的方法采用的是文献[15]介绍的乙稀基聚硅氧烷制模法，该方法把乙稀基聚硅氧烷与固化剂注入喷孔中，固化后把所成模型从喷孔中拉出，用电子显微扫描技术扫描喷孔模型，获取高质量的模型图像。最后可在图像中进行标注，从模型中可以得到喷孔入口、喷孔中部、喷孔出口处的孔径，同时得到的还有喷孔入口上侧、下侧的圆弧半径及内壁粗糙度。
这种制模方法具有非破坏性的特点，并可以获得光学测试方法所不可探测的喷孔内部尺寸。但由于乙稀基聚硅氧烷材料本身具有弹性，以及它与固化剂混合不均匀所带来的非一致性变形，不可避免地产生了测量误差，有些放大后的喷孔模型还存在着明显的弯曲变形，因此喷孔直径、喷孔长度、喷孔入口圆弧等大尺寸的测量误差较大。而表面粗糙度的测量，由于小范围内变形较一致，测量误差相对较小，可以作为实验数据论文开题报告。但是，该方法不能观测和测量喷孔内部压力室结构及尺寸。
1.2 探针式力传感器测量喷孔粗糙度
文献[20]介绍了一种探针式测量喷油嘴喷孔粗糙度的方法，该探针由一根极细的压阻式硅悬臂梁和梁底部的探尖两部分组成。测量喷孔粗糙度时，先将探尖与孔壁接触，再沿壁面移动探针，悬臂的偏移就能通过集成的压阻式应变计进行监测。研究人员利用该方法，成功地测量了几组不同喷孔的粗糙度，获得了较高精度的粗糙度值。该方法同制模法类似，对喷孔没有破坏性，同时测量前不必对喷孔做任何的预处理，能快速高效地测量喷油嘴喷孔等微小孔孔壁的粗糙度。
1.3 X射线相衬成像测试喷孔几何特征尺寸
近年来，X射线相衬成像技术得到了极大的发展。文献[21~23]的研究人员运用同步辐射X射线相衬成像技术，研究了汽油机（物性与汽油相近的液体Viscor 16-A代替汽油）喷雾雾化过程和气液同轴喷注器喷水的初次雾化及其随后的二次雾化过程，实验成像效果良好。到目前为止，国内还尚未有人专门将该技术应用于喷孔尺寸的测量，国外类似的研究也很少，本课题研究小组运用上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站（BL13W1）的第三代同步辐射光源，拍摄了喷油嘴的图像，实验能较为清晰地得到喷孔的内部几何结构。
2 X射线同轴相衬成像原理
2.1 X射线穿透物体的基本原理
当发射源发射的X射线通过样品以后，它们的特性可以采用复折射率来描述。在X射线区域，折射率n是一个略小于1的数[24]，可以写成：
（1）
式中，代表折射效应的相移项，表示折射率的衰减，是造成X射线相位变化的原因。 代表吸收项，造成X射线的吸收。
对于传统的X射线成像来说，当X射线穿透物体时，物体的各个不同部分对X射线的吸收不同，因而能得到记录物体各个部分吸收分布的吸收像，同时当X射线穿透物体时，它的位相信息也一样会发生变化，导致产生位相衬度的可能性。随着入射光子能量的增加，要比 减少的快，基本满足：
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